58

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 3/2010

PODZESPOŁY

Ze względu na mnogość odmian, tu za-

prezentujemy tylko wybrane modemy GSM/
UMTS, bez dodatkowych funkcjonalności.
Kontynuując cykl „Wybór konstruktora”,
w którymś z kolejnych numerów EP przed-
stawimy modemy z odbiornikiem GPS oraz
z zaimplementowanymi stosami TCP/IP.

Oferta modemów GSM/UMTS o  rozma-

itych zintegrowanych z transmisją GSM jest
wręcz przeogromna. Prym wiodą tu zwłasz-
cza kraje azjatyckie. Przeglądając ofertę jed-
nego z  polskich dystrybutorów trafi łem na
stronę internetową producenta z Hong Kon-
gu, a tam... przeszło 500 modemów różnego
typu, do różnych zastosowań.

Zacznijmy jednak od uwag praktycz-

nych. Aby poprawnie skonfi gurować sys-
tem oraz dobrać antenę do modułu GSM,
trzeba mieć wiedzę związaną z  zakresami
częstotliwości oraz regulacjami prawnymi
dotyczącymi sieci GSM. Rzućmy więc okiem
na przydziały częstotliwości oraz regulacje
prawne.

Podział częstotliwości

W  Polsce GSM pracuje w  pasmach

900  MHz i  1800  MHz, natomiast UMTS
w paśmie 2100 MHz. Czym wyższa częstotli-
wość, tym bardziej jest tłumiony sygnał, dla-
tego też w przypadku pasma GSM w dużych
miastach stosowane są głównie stacje pracu-
jące w paśmie 1800 MHz w celu zwiększenia
pojemności sieci, natomiast pasmo 900 MHz
jest wykorzystywane głównie do zapewnie-
nia pełnego pokrycia rozległego obszaru.

System

GSM

pracujący

w 

pa-

śmie  900  MHz, wykorzystuje dwa prze-
działy częstotliwości o  szerokości 25  MHz
każdy. Połączenie uplink zapewnia prze-

Modemy GSM do

systemów embedded (1)

Zastosowanie modemu GSM

we własnej aplikacji nie jest

trudne. Oferowane współcześnie

urządzenia mają ogromne

możliwości, niekiedy mogą

zastąpić mikrosterownik

systemu embedded. W  artykule

przedstawiono przegląd rynku
modemów przeznaczonych do

zastosowania w  różnego rodzaju

aplikacjach oraz rozważania

związane z  ich praktycznym

zastosowaniem.

dział 890...915  MHz, natomiast downlink
935...960 MHz. W każdym z tych przedzia-
łów zdefi niowano 124 kanały o  szerokości
200  kHz każdy i  2 pasma ochronne o  sze-
rokości 100  kHz każde. Kanały są numero-
wane od 0 do 124. Środkowe częstotliwości
nośne kanałów roboczych wyznacza się jako:
uplink

– f

n

=890+n×0,2  MHz; downlink –

f

n

=935+n×0,2 MHz (litera „n” oznacza nu-

mer kanału). Jak można zauważyć, odstęp
między nośnymi wykorzystywanymi w obu
kierunkach, czyli tzw. odstęp dupleksowy,
jest równy 45 MHz.

Uzupełnieniem GSM-u  jest E-GSM,

który używa dodatkowych pasm częstotli-
wości: 880...890  MHz oraz 925...935 MHz,
zwiększając liczbę kanałów o  50. Kanały te
liczone są od wartości 975 do 1023. Od kil-
ku lat większość produkowanych telefonów
komórkowych wspiera E-GSM. Poza nowy-
mi częstotliwościami technicznie E-GSM
niczym nie różni się od GSM 900 czy 1800.
Aktualnie częstotliwości z  tego zakresu
przyznane są tylko dwóm operatorom: Play
i Aero2.

System GSM pracujący w  paśmie

1800 MHz, określany jako DCS 1800, wyko-
rzystuje dwa zakresy częstotliwości o  sze-

rokości każdego z nich wynoszącej 75 MHz
(uplink – 1710...1785  MHz, downlink -
1805...1880 MHz).

W każdym z tych przedziałów zdefi nio-

wano 374 kanały częstotliwościowe o szero-
kości 200 kHz każdy i dwa pasma ochronne
o  szerokości 100  kHz każde. Kanały są nu-
merowane od 512 do 885, a  ich częstotli-
wości środkowe wyznacza się jako: uplink
–

f

n

=1710+(n-511)×0,2  MHz, downlink

–

f

n

=1805+(n-511)×0,2  MHz. Odstęp du-

pleksowy pomiędzy odpowiadającymi sobie
nośnymi wynosi tym razem 95 MHz.

W systemie UMTS nie występuje podział

na kanały. Jako metodę dostępu do kanałów
łączności stosuje się szerokopasmowy dostęp
ze zwielokrotnieniem kodowym WCDMA.
Do realizacji tego trybu przewidziano pasmo
o  szerokości 5  MHz, przy czym użyteczny
zakres ramki częstotliwościowej wynosi
3,84 MHz. Transmisja sygnałów odbywa się
w  trybie pakietowym, a  sygnał jest rozpra-
szany w paśmie. W trybie realizacji łączności
za pomocą WCDMA nie ma potrzeby podzia-
łu częstotliwości pomiędzy poszczególne
komórki, jak to ma miejsce w  GSM. Czę-
stotliwości promieniowania mikrofalowego
w systemie UMTS zawierają się w granicach:

TEMAT

NUMERU

59

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 3/2010

Modemy GSM do systemów embedded

Zależnie od operatora, nawet wówczas

gdy modem jest nieużywany (tzn. pracuje
w  trybie czuwania), co około 2–3 godziny
stacje bazowe żądają aktualizacji stanu swo-
ich rejestrów. Wówczas to każdy terminal
potwierdza swoją aktywność. Obojętnie czy
terminal przemieszcza się czy też nie, musi
zgłosić stacji bazowej swoją obecność. Wte-
dy to z  zasilacza impulsowo pobierany jest
prąd o natężeniu około 2 A i czasie trwania
impulsu około 50...100 ms. Źródło zasilania
modułu musi być odporne na tego typu ob-
ciążenie. Niestety, nie wystarczy tu prosty
LM7805, ponieważ (jak zdążył się kilka lat
temu przekonać autor artykułu) ulegnie on
uszkodzeniu. Najlepiej w takich aplikacjach
pracują stabilizatory impulsowe o  odpo-
wiednio dużym, dopuszczalnym prądzie
obciążenia.

Inną grupę problemów tworzą te, które

mogą być spowodowane takim charakterem ob-
ciążenia zasilacza. Może się nagle np. okazać, że
nadrzędny mikrokontroler sterujący modemem
restartuje się, system zawiesza się itd.

Pamiętajmy, że zasilanie ma kluczowe

znaczenie dla poprawnego funkcjonowania
tego typu aplikacji. Zasilacz musi być dobrze
przemyślany, a  samego problemu nie wol-
no bagatelizować. Najlepiej, gdy zasilanie
mikrokontrolera i  modułu GSM są od sie-
bie rozdzielone w sposób uniemożliwiający
przenikanie zaburzeń.

Modemy GSM

Modemy GSM dzielą się na dwie grupy:

te przeznaczone do podłączenia do systemu
nadrzędnego oraz te przeznaczone do wluto-
wania na płytce drukowanej. Czasami są to
te same urządzenia (np. popularny niegdyś
Sony-Ericsson GR48 i  GT48) z  tym, że jed-
no jest umieszczone w obudowie i wyposa-
żone w przetwornicę zasilająca oraz układy

Tab. 1. Maksymalne, nominalne moce wyjściowe terminali pracujących z  modula-

cją GMSK

Standard

Klasa

GSM 400, 900,

850, 700

DCS 1800

PCS 1900

Tolerancja w  warun-

kach:

Nominalna, mak-

symalna moc wyj.

Nominalna, mak-

symalna moc wyj.

Nominalna, mak-

symalna moc wyj.

Normal-

nych

Skrajnych

1

-

1 W  (30 dBm)

1 W  (30 dBm)

±2

±2,5

2

8 W  (39 dBm)

0,25 W  (24 dBm)

0,25 W  (24 dBm)

3

5 W  (37 dBm)

4 W  (36 dBm)

2 W  (33 dBm)

4

2 W  (33 dBm)

5

0,8 W  (29 dBm)

Tab. 2. Maksymalne, nominalne moce wyjściowe terminali pracujących z  modula-

cją 8-PSK

Standard

Klasa

GSM 400, 900, 850, 700

DCS 1800 PCS 1900 DCS 1800 i  PCS 1900

Nominalna

maksymal-

na moc

wyjściowa

Tolerancja w  warun-

kach

Nominalna

maksymal-

na moc

wyjściowa

Nominalna

maksymal-

na moc

wyjściowa

Tolerancja w  warun-

kach

Normal-

nych

Skrajnych

Normal-

nych

Skrajnych

E1

33 dBm

±2 dB

±2,5 dB

30 dBm

30 dBm

±2 dB

±2,5 dB

E2

27 dBm

±3 dB

±4 dB

26 dBm

26 dBm

–4/+3 dB –4,5/+4 dB

E3

23 dBm

±3 dB

±4 dB

22 dBm

22 dBm

±3 dB

±4 dB

uplink

– 1885...2025  MHz, kanału w  down-

link

– 2110...2200  MHz. W  tych pasmach

zakresy 1980...2010 MHz i 2170...2200 MHz
są przeznaczone dla systemów satelitarnych.

W UMTS używane są dwa rodzaje trans-

misji: FDD tj. z osobnymi częstotliwościami
dla downlink i  uplink oraz TDD tj. dupleks
z  podziałem czasowym, używany głównie
w  piko- i  mikro-komórkach do transmisji
asymetrycznej.

W  Polsce UMTS używa częstotliwości

2100  MHz z  12 dupleksowymi kanałami
w zakresie 1920,5...1979,7 MHz i stowarzy-
szonym pasmem 2110,5...2169,7  MHz dla
transmisji FDD oraz 1900,1 – 1920,1 MHz dla
transmisji w trybie TDD (4 kanały 5 MHz).

Moc nadajnika

Wartości maksymalnych mocy wyjścio-

wych terminali GSM podano w 

tab. 1 i tab. 2.

Zostały one zdefi niowane w normie GSM 02.06
i są różne, dla różnych klas urządzeń, w zależ-
ności od używanego typu modulacji.

Aby być w zgodzie z przepisami, należy

uwzględnić bilans energetyczny liczony dla
całego toru: nadajnik modemu, wtyk anteno-
wy, tłumienie kabla łączącego modem z an-
teną i  zysk energetyczny anteny. Wystarczy
zsumować wartości wyrażone w dB i spraw-
dzić, czy nie przekracza się poziomów mocy
zgodnych z normą.

Zasilanie modułów GSM (wymogi

odnośnie zasilacza)

Elektrycznie zasilanie modułu GSM jest

stosunkowo proste. Cóż bowiem trudnego
w  wykonaniu zasilacza, który podczas pra-
cy dostarczy modemowi około 5  W  mocy?
Z  tego też powodu bardzo często zasilacz
traktowany jest marginalnie, a  zwłaszcza
przez konstruktorów początkujących w dzie-
dzinie aplikacji GSM.

60

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 3/2010

PODZESPOŁY

wybrany model modułu GSM.
Wybór produktów, zwłaszcza
dalekowschodnich, jest prze-
ogromny. Na szczęście każdy
z  modemów sterowany jest
z użyciem komend AT, co po-
zwala konstruktorowi kiero-
wać się innymi przesłankami,
aniżeli tylko łatwość aplikacji.
Oczywiście wszystko jest za-
leżne od tego, do czego fi nal-
nie będzie stosowany modem.
Czasami można sobie bardzo
ułatwić pracę – wystarczy do-
brze poszukać.

Bardzo ciekawym mode-

mem jest pod tym względem
Fastrack Supreme 20, niegdyś
produkowany przez fi rmę Wa-

vecom, która została kupiona przez Sierra Wi-
reless i aktualnie modemy są opatrzone logo
tej drugiej, chociaż zapewne jeszcze gdzieś ze
starych zapasów można kupić i  Wavecoma.
Zewnętrznie ten modem niczym nie różni się
od pozostałych: metalowa obudowa, złącza
zasilania, interfejsu i antenowe (

fot. 1). Jednak

już na pierwszy rzut oka może zastanawiać
szczelina umieszczona pod złączem interfej-
su: do czego może ona służyć? Otóż produ-
cent miał bardzo ciekawy pomysł na posze-
rzenie funkcjonalności wyrobu. Ta szczelina
to gniazdo rozszerzenia nazwane przez pro-
ducenta IESM. Można w nim umieścić płytkę
z odbiornikiem GPS, wejściami/wyjściami in-
terfejsowymi, transceiver pracujący w paśmie
ISM itd. Modem nadal komunikuje się z sys-
temem nadrzędnym przy pomocy komend
AT, jednak przybywa mu funkcjonalności. Ła-
two w ten sposób zbudować np. urządzenie
do monitorowania pozycji obiektu, zdalnej
kontroli stanu czujek alarmowych i tak dalej.
Opisy tego typu urządzeń pojawią się w kolej-
nych numerach EP.

Inną grupą urządzeń są proste modemy

zewnętrzne, które mają tylko możliwość

driverów dopasowujących wejście modemu
np. do poziomów napięć RS232, a drugie to
po prostu moduł do wlutowania we własnej
aplikacji.

Modemy zewnętrzne. W handlu jest bar-

dzo duży wybór modemów zewnętrznych,
ponieważ łatwo zbudować taki modem do-
dając płytkę bazową z  przetwornicą zasi-
lającą i  układami driverów transmisji oraz
wyposażyć całe urządzenie w  odpowiednie
złącza. Nie sposób jednak powiedzieć, że
modemy te powstają w oparciu o jakiś jeden

Tab. 3. Wybrane modemy z  oferty Cinteriona

Produkt

Parametr

MC75i

TC65i

TC63i

EES3

EGS5

EGS3

BGS3

Złącze obudowy

80-stykowe

80-stykowe

80-stykowe

LGA

LGA

LGA

LGA

Możliwość programowania

Nie

Java

Nie

Nie

Java

Nie

Nie

HSPA/UMTS

Nie

Nie

Nie

Nie

Nie

Nie

Nie

EDGE

Klasa 12

Nie

Nie

Klasa 12

Nie

Nie

Nie

GPRS

Klasa 12

Klasa 12

Klasa 12

Klasa 12

Klasa 12

Klasa 12

Klasa 12

CSD

Tak

Tak

Tak

Tak

Tak

Tak

Tak

SMS

Tak

Tak

Tak

Tak

Tak

Tak

Tak

Fax

Tak

Tak

Tak

Tak

Tak

Tak

Tak

Możliwość połączeń TCP/IP

Tak

Tak

Tak

Tak

Tak

Tak

Tak

Wejścia audio/cyfrowe

2/1

2/1

2/1

2/1

2/1

2/1

2/1

UART

2

2

2

2

2

2

2

I

2

C

1

1

1

1

1

1

Nie

SPI

1

1

1

1

1

1

Nie

USB

1

1

1

1

1

1

Nie

ADC/DAC

Nie

2/1

Nie

Nie

2/1

Nie

Nie

GPIO

Nie

Tak

Nie

Nie

Tak

Nie

Nie

Fot. 1. Moduł Fastrack Supreme 20 fi rmy
Wavecom

Fot. 2. Modemy GSM (TINY) przeznaczone
do montażu na szynie

Fot. 3. Modem przemysłowy fi rmy
Westermo

61

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 3/2010

Modemy GSM do systemów embedded

i BGS są umieszczone w obudowach podob-
nych do BGA (nazwa handlowa LGA) i przez
to raczej nadają się dla odbiorcy masowego.

Cinterion oferuje standardowym od-

biorcom stosunkowo proste moduły mode-
mów. Spośród nich tylko dwa programowa-
ne są w języku Java. Mimo to warto dodać,
że w ofercie firmy są również inne wyroby,
z  wbudowanymi dodatkowymi funkcjami
(np. z odbiornikiem GPS), przeznaczone do
zastosowania w motoryzacji, systemach mo-
nitorowania itp. Nimi zajmiemy się jednak
w  kolejnych częściach cyklu „Wybór kon-
struktora” przy okazji omawiania modemów
do specjalnych zastosowań.

Jacek Bogusz, EP

[e-mail]

Fot. 4. Modemy GSM przeznaczone
do współpracy z licznikami energii
elektrycznej

Fot. 5. Modem GSM GPRS Cinterion
MC45iT

danych odstępach czasu np. co 24 godziny.
Wówczas, w  skrajnych sytuacjach, system
nadrzędny może być odłączony np. przez
24 godziny, ale nie trzeba wysyłać do danej
lokalizacji serwisu, by ten ręcznie wyłączył
i włączył modem.

Różni producenci implementują różne

mechanizmy nadzoru, kontroli i  zabezpie-
czania transmisji. Często są one objęte ta-
jemnicą produkcji i  pilnie strzeżone przed
konkurencją.

Modemy do wbudowania. Oferta mo-

demów przeznaczonych do wbudowania
we własnej aplikacji jest ogromna. Zwykle
nawet najmniejsi producenci mają w port fo-
lio kilkanaście różnych modemów, o różnej
funkcjonalności. Dokonajmy przeglądu tylko
tych najbardziej popularnych rozwiązań.

Cinterion

Firma Cinterion produkuje i  sprzedaje

moduły GSM niegdyś oferowane przez Sie-
mensa. Związki przedsiębiorstwa z Siemen-
sem są historyczne, bo sięgają początków
działalności firmy, która w 1995 r. zadebiu-
towała na rynku legendarnym produktem
Siemens M1.

W 

tab.  3 podano zestawienie modułów

produkowanych przez Cinterion wraz z krót-
kim opisem funkcjonalnym. Trzeba zwrócić
uwagę na fakt, że serie modemów EES, EGS

transmisji danych z  użyciem jakiegoś pro-
tokołu szeregowego, najczęściej USB lub
RS232. Są to modemy przeznaczone np. do
montażu na szynie (

fot.  2), specjalizowane

np. do zastosowań profesjonalnych (

fot.  3),

dla potrzeb budowy systemów telemetrycz-
nych (

fot.  4) i  inne, jak chociażby bardzo

prosty w użytkowaniu i obsłudze Cinterion
MC35iT (

fot.  5; firma Cinterion produkuje

i  sprzedaje wszystkie modemy niegdyś ofe-
rowane przez Siemensa).

Ta grupa modemów to najczęściej funk-

cjonujące niezależnie urządzenia, kontrolo-
wane z użyciem komend AT lub wyposażone
np. w  interfejs Ethernet i  oprogramowanie
umożliwiające transmisję z  zastosowaniem
protokołu IP. Wystarczy tylko podłączyć za-
silanie, antenę, kabel interfejsu i już można
przesyłać dane.

Dokonując selekcji modelu, oprócz cech

funkcjonalnych, warto też zwrócić uwagę
na to, aby modem miał wbudowany „me-
chanizm przypominający” sieci o  jego ist-
nieniu. Sieć GSM, pomimo wbudowanych
mechanizmów odświeżania rejestrów stacji
bazowych, ma bowiem jedną niezbyt przy-
jemną cechę. Jeśli terminal nie przemiesz-
cza się i  długo jest użytkowany w  jednej
lokalizacji (w zasięgu danej stacji bazowej),
to może okazać się, że sieć nie odbierze ra-
portu obecności od terminala i  „zapomni”
o  jego istnieniu. Jest to o  tyle zgubne, że
do terminala nie zostaną skierowane kolej-
ne żądania zgłoszenia jego obecności i  ten
będzie przez system traktowany jako odłą-
czony, mimo iż wskaźnik mocy sygnału
będzie wskazywał, że wszystko jest w nor-
mie. Najprostszy mechanizm zapobiegający
takim sytuacjom, to restart modemu w  za-

R

E

K

L

A

M

A